Полiт.ua Государственная сеть Государственные люди Войти
18 октября 2017, среда, 05:07
Facebook Twitter LiveJournal VK.com RSS

НОВОСТИ

СТАТЬИ

АВТОРЫ

ЛЕКЦИИ

PRO SCIENCE

СКОЛКОВО

РЕГИОНЫ

16 марта 2017, 10:53

Гидроксиапатит и солнечный свет

Гидроксиапатит с триплитом из шахты в Виргинии, США
Гидроксиапатит с триплитом из шахты в Виргинии, США

Ученые Института математических проблем биологии РАН объяснили фотокаталитические свойства минерала гидроксиапатита. Материал, который уже широко применяется в медицине, теперь поможет и в борьбе с загрязнением окружающей среды. Кратко о работе сообщает пресс-релиз ИМПБ.

Гидроксиапатит  – минерал из группы апатита, служит основной минеральной составляющей костей. Химическая формула вещества Ca10(PO4)6(OH)2. В медицине синтетический аналог этого минерала уже давно применяется при имплантировании для лучшего приживления тканей. Но, оказалось, это не единственное его полезное свойство. В последнее время была открыта способность гидроксиапатита после термической обработки под воздействием солнечного света становиться фотокаталитически активным и поглощать тяжелые металлы. Это его качество может быть очень полезным для восстановления окружающей среды от загрязнений.  Однако механизм этого процесса до последнего времени был не понятен. Группа ученых под руководством д.ф.-м.н. Владимира Быстрова из Института математических проблем биологии РАН смоделировала и рассчитала процессы, приводящие к фотокаталитической активности материала, таким образом, объяснив данные, полученные в эксперименте. Результат опубликован в журнале Applied Catalysis B: Environmental.

Фотокатализ, то есть прохождение химической реакции под воздействием солнечного света, является одним из способов экологического восстановления, с помощью которого можно разлагать опасные химические вещества в воздухе, воде, почве. В последние годы учеными были исследованы фотокаталитические свойства натуральных и синтетических гидроксиапатитов. В эксперименте обнаружили, что не все формы проявляют активность под воздействием солнечного света.

Группой Быстрова ранее было показано, что на свойства той или иной формы гидроксиапатита влияют дефекты в его кристаллической решетке. При производстве синтетического материала важно обеспечить наличие определенных дефектов в структуре для получения нужных качеств. Поэтому за объяснением наличия или отсутствия фотокаталитических свойств гидроксиапатита экспериментаторы обратились в Группу компьютерного моделирования наноструктур ИМПБ РАН.

 

Модель с дефектами

 

Ученые промоделировали процессы, которые могли происходить при высокотемпературной обработке и дальнейшем облучении солнечным светом различных естественных и синтетических форм гидроксиапатита. При моделировании применялись методы, основанные на теории функционала плотности для периодических кристаллических решеток. С их помощью ученые рассчитали корреляцию различных возможных вакансий кислорода в решетке с изменениями в величине оптической ширины запрещенной зоны (минимальной энергией необходимой электрону для отрыва при облучении солнечным светом). Именно этот процесс, по мнению физиков, делал материал катализатором, «магнитом» для загрязнений. УФ-облучение за счет поглощения энергии фотонов приводит к генерации электронно-дырочных пар, участвующих в каталитических процессах.

Рисунок 1: Шестиугольная элементарная ячейка гидроксиапатита упорядоченной структуры. Желтые шарики – фосфор, красные – кислород, большие серые – кальций, маленькие серые – водород. Все ОН-группы ориентированы в одном направлении. Они расположены на четырех углах элементарной ячейки, но только одна пара в одном углу принадлежит к этой элементарной ячейке, остальные три пары, принадлежат соседним элементарным ячейкам.

Рисунок 2: Схема атомов, выбранных и удаленных для моделирования различных вакансионных дефектов в гексагональной элементарной ячейке гидроксиапатита с 44 атомами. Цветными кружками отмечены: (1) синим – атом кислорода номер 28 из группы ОН для создания вакансии O в ОН-канале; (2) фиолетовым – OH группа (номера атомов 43 и 44) для создания полной ОН вакансии; (3) зеленым – атомы кислорода с номерами 6, 15, 24, 35 из нескольких по-разному расположенных групп РО4, соответствующих вакансиям O в PO4 группах. Зеленые группы на остальных трех углах принадлежат соседним ячейкам периодической структуры.

 

Ученые рассчитали следующие дефекты в кристаллической решетке вещества:

1) удаление атома кислорода из группы ОН;

2) удаление всей группы OH;

3) удаление атома кислорода из группы РО4.

Помимо этих отдельных O или ОН вакансий и их влияния на энергетические и оптические характеристики, был исследован более сложный случай комбинированных вакансий. Было промоделировано и наличие двух видов одновременных вакансий в одной элементарной ячейке: кислорода из группы РО4 и ОН целиком.

 

Фотокатализ нашел свое объяснение

 

Полученные при моделировании величины были сопоставлены с экспериментальными данными. Результаты расчетов оказались очень близкими к измеренным значениям, что подтвердило верность предложенных механизмов.

В необработанном гидроксиапатите все вакансии связаны с атомами кислорода из группы ОН. У них запрещенная зона имеет значение порядка 5 эВ (соответствует коротковолновому ультрафиолетовому диапазону). Солнечное излучение с этой длинной волны поглощается атмосферой и не доходит до поверхности Земли. Описанные каталитические процессы не запускаются и поэтому обычный гидроксиапатит не фотокаталитичен.

При обжиге с температурой 1000° С в гидроксиапатите образуются вакансии кислорода в фосфатных группах. Это дает запрещенную зону порядка 3,45 эВ. Здесь уже достаточно фотонов солнечного света в видимом диапазоне для того, чтобы материал стал фотокаталитически активным.

Результаты моделирования также предсказали, что вакансия только целой группы ОН сама по себе может привести к широкой запрещенной зоне в зеленой и красной видимой области спектра, например, в диапазоне 2,4 -1,6 эВ (свет с длинной волны 521-743 нм). Если экспериментаторам удастся получить такие дефекты в гидроксиапатите, это может привести к созданию нового фотокатализатора видимого света.

Обсудите в соцсетях

Система Orphus
Loading...
Подпишитесь
чтобы вовремя узнавать о новых спектаклях и других мероприятиях ProScience театра!
3D Apple Big data Dragon Facebook Google GPS IBM MERS PRO SCIENCE видео ProScience Театр SpaceX Tesla Motors Wi-Fi Адыгея Александр Лавров альтернативная энергетика «Ангара» антибиотики античность археология архитектура астероиды астрофизика аутизм Байконур бактерии бедность библиотека онлайн библиотеки биология биомедицина биомеханика бионика биоразнообразие биотехнологии блогосфера бозон Хиггса британское кино Византия визуальная антропология викинги вирусы Вольное историческое общество воспитание Вселенная вулканология Выбор редакции гаджеты генетика география геология геофизика глобальное потепление грибы грипп дельфины демография дети динозавры ДНК Древний Египет естественные и точные науки животные жизнь вне Земли Западная Африка защита диссертаций землетрясение змеи зоопарк зрение Иерусалим изобретения иммунология инновации интернет инфекции информационные технологии искусственный интеллект ислам историческая политика история история искусства история России история цивилизаций История человека. История институтов исчезающие языки карикатура католицизм квантовая физика квантовые технологии КГИ киты климатология комета кометы компаративистика компьютерная безопасность компьютерные технологии космический мусор космос криминалистика культура культурная антропология лазер Латинская Америка лексика лженаука лингвистика Луна мамонты Марс математика материаловедение МГУ медицина междисциплинарные исследования местное самоуправление метеориты микробиология Минобрнауки мифология млекопитающие мобильные приложения мозг моллюски Монголия музеи НАСА насекомые неандертальцы нейробиология неолит Нобелевская премия НПО им.Лавочкина обезьяны обучение общество О.Г.И. одаренные дети онкология открытия палеолит палеонтология память папирусы паразиты педагогика планетология погода подготовка космонавтов популяризация науки право преподавание истории продолжительность жизни происхождение человека Протон-М психоанализ психология психофизиология птицы РадиоАстрон ракета растения РБК РВК РГГУ регионоведение религиоведение рептилии РКК «Энергия» робототехника Роскосмос Роспатент Россотрудничество русский язык рыбы Сергиев Посад сердце Сингапур сланцевая революция смертность СМИ Солнце сон социология спутники старение старообрядцы стартапы статистика такси технологии тигры торнадо транспорт ураган урбанистика фармакология Фестиваль публичных лекций физика физиология физическая антропология финансовый рынок фольклор химия христианство Центр им.Хруничева черные дыры школа школьные олимпиады эволюция эволюция человека экология эмбриональное развитие эпидемии эпидемиология этика этнические конфликты этология Юпитер ядерная физика язык

Редакция

Электронная почта: politru.edit1@gmail.com
Адрес: 129090, г. Москва, Проспект Мира, дом 19, стр.1, пом.1, ком.5
Телефон: +7 495 980 1894.
Свидетельство о регистрации средства массовой информации
Эл. № 77-8425 от 1 декабря 2003г. Выдано министерством
Российской Федерации по делам печати, телерадиовещания и
средств массовой информации. Выходит с 21 февраля 1998 года.
При любом использовании материалов веб-сайта ссылка на Полит.ру обязательна.
При перепечатке в Интернете обязательна гиперссылка polit.ru.
Все права защищены и охраняются законом.
© Полит.ру, 1998–2014.